Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Как подтвердить, что продвижение жидкости зависит от ее вязкости? Очень просто: спирт менее вязкий, чем вода. Намочите руки обычной водой. Теперь на влажную ладонь (если не жалко) капните чуть-чуть зеленки (это раствор бриллиантовой зелени на спирту). Вы увидите, как во все стороны разбегутся по микроморщинкам кожи зеленые лучики. Даже если просто провести пробкой от флакончика по влажной ладони, то вы увидите, как проступает рисунок (тот самый, по которому опознают преступника). Спирт вытесняет воду из тонких микроморщинок кожи и разбегается по ним под действием законов физики.
В стволе дерева клетки древесины образуют тончайшие трубочки, каналы, по которым за счет капиллярных сил (капилляр – это по-научному так называется тонкая трубочка) вода поднимается на высоту гораздо большую, чем может поднять атмосферное давление. Только трубочки эти вправду очень тонкие. Вот так дерево и пьет воду из-под земли!
Практический совет: когда у вас, мой читатель, будут брать анализ крови из пальца, не пугайтесь, а внимательно проследите, что делает врач. После того как на поверхности пальца появится капелька крови, ее коснутся стеклянной трубочкой. Кровь – жидкость. Она сама поднимется по трубочке без всякого насоса. Но мы-то знаем, почему так происходит!
2
Жидкость жидкости рознь
Для опыта нам потребуются: два блюдца, подсолнечное масло, мыльный раствор, спичка или карандаш.
В предыдущем опыте я сказал, что поднимаются вверх не все жидкости, а только те, что смачивают поверхности. Действительно, есть разные типы жидкости и есть разные типы поверхностей. Чтобы увидеть, как отличаются жидкости, проведем простой эксперимент. Возьмем два блюдца. Вымоем их чисто с мылом и, тщательно прополоскав, вытрем насухо. Теперь достанем бутылку с подсолнечным маслом и еще приготовим мыльный раствор. Мыльный раствор сделать очень просто: помойте руки с мылом над чашкой – вода, что там соберется, нам вполне годится. Если только это были не ОЧЕНЬ грязные руки. По-другому можно приготовить раствор еще проще: чуть-чуть стирального порошка или жидкости для мытья посуды добавить в чашку с водой.
Теперь обмакнем спичку или карандаш в подсолнечное масло и аккуратно капнем на блюдце каплю. На другое блюдце капнем каплю мыльного раствора. Теперь внимательно рассмотрите, как отличаются эти капли. Получится примерно то, что я нарисовал.
Ага, думаем мы! Поскольку мы капали на одинаковые поверхности, значит, отличаются сами жидкости. Те, что содержат мыло, стиральный порошок или другие щелочные (так их ученые называют) растворы, лучше смачивают поверхность и глубже пробираются по капиллярам, этим тонким трубочкам внутри многих веществ. Теперь понятно, почему в воду для стирки добавляют стиральный порошок! Вода лучше проникает внутрь волокон, из которых сделана материя (будь то хлопок, шерсть или синтетика), дальше пробирается по капиллярам и вымывает из трещинок и трубочек микроскопические грязинки.
Проведем теперь другой эксперимент, чтобы понять разницу в поверхностях. Будем капать чистую воду из одной и той же чашки. Возьмем два блюдца. Одно вымоем с мылом и, прополоскав, вытрем насухо. Второе тоже вымоем, вытрем, а затем натрем кусочком сливочного масла или сала – так чтобы поверхность блюдца стала жирной.
Капнем теперь на оба блюдца по крупной капле, взяв их из одной и той же чашки с чистой водой. Мы увидим, что капля на жирной поверхности образует более крутой горбик. Поскольку мы капали одну и ту же воду, значит, причина различия уже в самих поверхностях. Можно поэкспериментировать с кафельной плиткой, деревом, кожей, пластиком, тефлоновыми сковородками – и вы увидите, что разные поверхности по-разному смачиваются водой.
Настоящие ученые могут с помощью приборов точно определить форму капли на поверхности (или тот угол, который образует капля жидкости с исследуемым материалом). У разных материалов форма капли (а значит, и этот угол) будет разной. Так можно отличать поверхности по степени смачиваемости.
Практический совет: чтобы высушить ботинки за ночь, набейте их сухими газетами. Газета, состоящая из деревянных волокон, легко смачивается водой и «втягивает» в свои капилляры влагу из насыщенного парами воды воздуха внутри ботинок. Так наш капиллярный насос поможет просушить обувь! Но при этом мы будем понимать, какие физические процессы нам помогают.
3
Химический анализ неизвестной жидкости с помощью газеты
Для опыта нам потребуются: блюдечко, старая газета, лосьон или одеколон, зеленка, йод, спичка.
Сейчас я немного расскажу, как можно попользоваться тем, что разные жидкости по-разному смачивают одну и ту же поверхность. Серьезные ученые с помощью этого явления проводят анализ химического состава неизвестных жидкостей.
Возьмите не очень новое блюдечко (чтобы не было жалко испачкать), поставьте на старую газету и накапайте в него небольшую лужицу любого из лосьонов или одеколонов, которыми папы пользуются по утрам. Примерно с пол чайной ложки – вот такую лужицу. Теперь капните в эту лужицу несколько капель зеленки. А теперь уже в эту смесь добавьте несколько капель йода.
Получившуюся смесь аккуратно размешайте спичкой. Обратите внимание, как высоко взберется окрашенная жидкость по спичке, – наша страшная (но безопасная) смесь еще лучше смачивает волокна, чем чистая зеленка.
Теперь от старой газеты отрежьте чистую белую полоску с краю, примерно сантиметра два-три шириной и сантиметров десять длиной. Положите полоску в блюдце одним концом так, чтобы он коснулся лужицы. И оставьте в покое на полчасика.
После того как пройдет некоторое время, вы заметите, что жидкость ползет по газетке вверх. Если полоску не трогать, а просто внимательно рассмотреть, то окажется, что из смеси газета «вытягивает» жидкости с разной скоростью. Так, выше всех «вползет» почти прозрачный одеколон или лосьон. Затем будет полоска коричневого цвета – это йод. Наконец, медленнее всех поднимается зеленка. У меня в опыте получилось примерно вот что:
А вот как это выглядит на фотографии. Видно, что прозрачный растворитель (одеколон) поднялся выше уровня йода. Зеленка осталась где-то внизу…
На фото: йод поднялся ниже, чем спирт, содержащийся в растворе. Разница в границах жидкостей видна без всяких приборов.
Главное, что мы можем понять из этого опыта: закон смачивания и проникновения жидкости в капилляры вещества может позволить нам создать настоящий прибор! Мы, совсем как настоящие ученые, проанализировали смесь, разделив ее с помощью уже известного нам физического явления. Разве это не здорово?
Практический совет: если вам надо высушить кусок дерева так, чтобы оно не потрескалось, заверните его в несколько газет и положите в полиэтиленовый пакет. Плотно завяжите пакет веревочкой. Первую неделю меняйте газету каждый день, потом раз в три дня. Через месяц-другой деревяшка высохнет достаточно хорошо… Газета будет «вытягивать» жидкость изнутри дерева и забирать «в себя». При этом дерево не будет так сильно трескаться, как при сушке на открытом воздухе.
4
Капиллярные явления вокруг нас
Для опыта нам потребуются: две чашки, хлопчатобумажная веревка или шнурок длиной 10 сантиметров.
Оказывается, еще в далекой древности капиллярные явления были известны и использовались нашими предками. Одним из самых простых на вид, но гениальных изобретений было изобретение фитиля для светильника. Кто-то заметил, что опущенный в растопленный жир или масло жгутик из скрученных высушенных волокон некоторых растений (например, хлопка) впитывает в себя это масло и, не сгорая сам, позволяет светильнику долго гореть и освещать жилище. Как работает светильник? Как вы видите на рисунке, масло вытягивается по фитилю вверх и сгорает на кончике фитиля. Когда масло сгорает, место внутри волокон фитиля освобождается и фитиль втягивает новую порцию масла. И так продолжается, пока масло не закончится.
Точно так же работает свечка, в которой разогревающийся и расплавляющийся под действием тепла воск поднимается по фитилю и выгорает. Конечно, выгорает и сам фитиль, но гораздо медленнее. Правда, свечки появились гораздо позже, чем простейшие светильники.
Как же работает светильник из фитиля? Как он перекачивает масло? Мы можем убедиться, что он работает как насос, используя свойство жидкостей втягиваться в тонкие капилляры.
Проведем старинный опыт, описанный во многих книжках, и тем не менее очень интересный. Возьмите две чашки и кусочек обычной веревки сантиметров десять длиной. Веревка должна быть хлопчатобумажной. Промойте веревочку с мылом в теплой воде, чтобы удалить частицы жира из капилляров – ведь иначе вода не будет по ним проходить. Теперь поставьте чашку с водой на подставку (например, перевернутая ваза), а пустую чашку – ниже нее, на стол. Перекиньте мокрую веревочку из одной чашки в другую как мостик и оставьте на ночь. Только веревочка не должна провисать петлей между чашками, а должна ровно спускаться вниз.
